CN107464942A - 末端电池加热器组件和具有其的燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及末端电池加热器组件和具有其的燃料电池堆。一种末端电池加热器组件包括：外壳，具有接合到燃料电池堆的末端板的第一表面；平面加热元件，安装在形成于外壳的第二表面中的容纳槽中；端子板，堆叠并插入在平面加热元件和燃料电池堆的末端电池之间，接合并电连接到末端电池并将由平面加热元件产生的热传递到末端电池；以及端子，与端子板一体形成以便将由燃料电池堆产生并通过端子板传递的电能输出到外部。

Description

末端电池加热器组件和具有其的燃料电池堆

技术领域

本公开涉及燃料电池堆。更具体地，其涉及末端电池加热器组件和具有该末端电池加热器组件的燃料电池堆，其能够解决在冷启动时燃料电池的末端电池性能劣化的问题。

背景技术

燃料电池是通过使燃料气体和氧化剂气体发生电化学反应将燃料的化学能转换成电能的能量转换装置，并用于工业、家用以及车辆电源，并且燃料电池可用于将电力供应到小尺寸的电气/电子产品以及移动装置。

已经对作为当前车辆的燃料电池的具有高电力密度的质子交换膜燃料电池(PEMFC、聚合物电解质膜燃料电池)进行了研究。

图1为示意性地示出聚合物电解质膜燃料电池的单元电池的基本配置的截面图。

如所示出的，作为主要构成部件的膜电极组件(MEA)1位于燃料电池的每个单元电池的最内侧。

膜电极组件1包括可移动氢离子的固体聚合物电解质膜以及阴极与阳极，所述阴极与阳极是在其上催化剂被施加在电解质膜的两个表面处以使氢气和氧气可反应。

气体扩散层(GDL)2堆叠在膜电极组件1的外部，即，其中阴极和阳极所处于位置的外部，并且双极板3和双极板4位于气体扩散层2的外部，双极板3和双极板4具有通过其供应反应气体(为燃料气体的氢气，和为氧化剂的氧气或空气)且冷却剂通过其的流路。

用于流体密封的垫圈8等插入并堆叠在双极板3和双极板4之间，并且垫圈8可与膜电极组件1或双极板3和双极板4一体形成。

假设基于图1中的膜电极组件，左双极板3为阳极双极板，并且右双极板4为阴极双极板，在接合到膜电极组件1的阳极的扩散层2和阳极双极板3之间的通道5为氢气(其为燃料气体)流动通过其的阳极通道。

在接合到膜电极组件1的阴极的气体扩散层2和阴极双极板4之间的通道6为空气(氧气)(其为氧化剂气体)流动通过其的阴极通道，并且在相邻的阳极通道5之间和在相邻的阴极通道6之间通过双极板平台部分3a和平台部分4a形成的空间为冷却剂通道7。

这种配置被用作单元电池，多个电池被堆叠，支撑电池的末端板(未示出)耦接在电池的最外侧，并且在电池被堆叠且被布置在末端板之间的状态下通过堆叠紧固机构(未示出)将末端板和电池紧固在一起，从而配置燃料电池堆。

在操作中，每个单元电池维持低电压，并且结果，数十或数百个电池通过串联堆叠以堆叠的形式制造以便增加电压，并用作电发生器。

图2为示意性地示出通过堆叠电池配置的燃料电池堆的截面图，并且在电池9被堆叠的状态下，末端板被耦接到为电池9的外侧的堆叠10的两个末端。

在这种情况下，具有歧管孔11a的穿透末端板11可耦接到堆叠10的两个末端的一个末端上，并且没有歧管孔的非穿透末端板12可耦接到与一个末端相对的另一个末端上。

在这种配置中，当通过堆叠10的入口歧管13(用于氢气、空气以及冷却剂的入口歧管彼此分开)供应的氢气、空气和冷却剂通过双极板的流路被分配到相应的电池9中时，氢气、空气以及冷却剂分别穿过为每个电池中的双极板的流路的阳极通道、阴极通道以及冷却剂通道，并且此后，前述物质诸如未反应的气体、氮气以及水和冷却剂从相应的电池9和堆叠10通过出口歧管14排放。

分别具有端子15a和端子16a的电流收集板15和电流收集板16被分别设置在末端板11和末端板12中。

电流收集板15和电流收集板16电连接到位于其中的末端电池的双极板，并且将通过堆叠10中所有电池9中的燃料电池反应产生的电流通过端子15a和端子16a输出到外部。

在聚合物电解质膜燃料电池中，由于供应到阳极通道的燃料气体(反应气体中的氢气)和供应到阴极通道的氧化剂气体(反应气体红的空气或氧气)之间的反应，在阴极侧处不可避免地产生了水(产生的水)。

当在停止操作燃料电池后保持在电池中的所产生的水处于低温时，所产生水可被冷冻，并然后会阻塞气体扩散层(GDL)的孔和双极板的通道(反应气体的流路)。

由于这个原因，反应气体在冷启动时无法顺畅地流动，结果，燃料电池无法正常操作，并且启动时间会延迟。

因此，为确保冷启动性能并缩短启动时间，有必要使用来自燃料电池本身的电化学反应热融化冷冻的水分，并使用额外构件(诸如分离加热源)融化冷冻水分。

图3为示出在燃料电池堆的正常操作条件下电池温度分布的示图。

由于燃料电池堆由多个单元电池配置，使用具有高刚度的末端板以便用均匀的压力按压并紧固电池。

使用诸如具有高热质量(thermal mass)的金属的材料来制造末端板以维持高刚性，并且结果，如图3所示，甚至在燃料电池正常操作的情况下，在相邻于末端板的堆叠末端处的电池操作温度低于堆叠内的电池操作温度，从而显示出较低的电力产生效率。

具体来说，因为热损耗，在堆叠末端处的电池需要较长时间以便在冷启动时融化冰冻水，这导致启动时间延迟。

已经报导，在燃料电池的冷启动条件下，在堆叠的两个末端处的电池电压可极大地低于堆叠内的电池电压。

在本背景部分中公开的上述信息仅用于增强对公开背景的理解，并因此对本领域技术人员而言，其可能含有不形成在本国已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开已经致力于解决与现有技术相关的上述问题，并提供末端电池加热器组件和具有该末端电池加热器组件的燃料电池堆，其能够解决在冷启动时燃料电池的末端电池性能劣化的问题。

在一个方面，本公开提供了一种末端电池加热器组件，其通过被供应来自电源的电力来执行加热操作，其被堆叠并插入在末端电池和在燃料电池堆的两个末端处的末端板之间以在加热操作时向相应的末端电池提供热量，从而提高末端电池的温度，并且，末端电池加热器组件具有旁路流路使得作为反应剂被供应至燃料电池堆的氧气和氢气的至少一种气体被分配至旁路流路并穿过旁路流路，所述末端电池被堆叠为位于多个堆叠的燃料电池(其通过在燃料电池堆中被供应反应气体经由电化学反应产生电能)的两个末端处。

在另一方面，本公开提供了一种末端电池加热器组件，包括：外壳，具有接合到燃料电池堆的末端板的第一表面；平面加热元件，安装在形成于外壳的第二表面中的容纳槽中；端子板，被堆叠并插入在平面加热元件和燃料电池堆的末端电池之间，接合并电连接到末端电池，并且将由平面加热元件产生的热传递到末端电池；以及端子，与端子板一体形成以便将由燃料电池堆产生并通过端子板传递的电能输出到外部。

在另一方面，本公开提供了一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括：多个燃料电池，通过堆叠设置，并且通过被供应反应气体经由电化学反应产生电能；末端板，在堆叠的燃料电池的外部堆叠在燃料电池堆的两个末端位置处；以及末端电池加热器组件，通过被供应电力来执行加热操作，并堆叠且插入在被堆叠以位于堆叠的燃料电池中的两个末端处的末端电池和在燃料电池堆的两个末端处的末端板之间，以在加热操作时将热量提供到相应的末端电池，从而提高末端电池的温度，该末端电池加热器组件具有旁路流路以使得作为反应气体被供应到燃料电池堆的空气和氢气中的至少一种被分配到旁路流路并穿过旁路流路。

因此，根据本公开的末端电池加热器组件和燃料电池堆可提供如下效果：在燃料电池的冷启动条件下提高位于堆叠的两个末端部分处的末端电池的温度，防止由于末端电池热损耗引起的性能劣化，改进反应气体在末端电池处的分配特征，防止液滴流入(将流入的液滴旁路)，减少冷启动时间，改进冷启动输出并防止由现有虚设电池引起的电压降和电力损耗。

下文中讨论本公开的其它方面和示例性实施例。

应理解的是，如本文所用的，术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，诸如包括运动实用性车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的客车、包括各种小船和船舶的船只、飞机等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力的车辆以及其它可替代燃料车辆(例如，来源于除了石油的资源的燃料)。如本文所提及，混合动力车辆为具有两种或更多种动力源的车辆，例如汽油动力与电动力车辆。

下文中讨论本发明的上述特征及其它特征。

附图说明

现将参考在附图中示出的其的某些示例性实施例详细描述本公开的上述特征和其它特征，所述附图仅通过说明的方式在下文中给出，并因此不是对本发明的限制，并且其中：

图1为示意性地示出聚合物电解质膜燃料电池的单元电池的基本配置的截面图；

图2为示意性地示出通过堆叠电池配置的众所周知的燃料电池堆的截面图；

图3为示出在燃料电池堆的正常操作条件下电池的温度分布的示图；

图4为示出具有虚设电池(dummy cells)的燃料电池堆的截面图；

图5为示意性地示出根据本公开示例性实施例的燃料电池堆的配置的截面图；

图6为示出根据本公开示例性实施例的末端电池加热器组件的装配透视图；以及

图7为根据本公开示例性实施例的末端电池堆件的分解透视图。

应理解的是，附图不必按比例绘制，只是呈现对说明本公开的基本原理的各种优选特征的某种程度的简化表示。如本文所公开，本公开的特定设计特征(包括例如特定尺寸、定向、位置和形状)将由具体预期应用和使用环境部分确定。

在附图中，在整个附图的若干图示中参考数值是指本公开的相同或等效部分。

具体实施方式

下文中将详细参考本公开的各种实施例，实施例的实例示出在附图中并描述在下文中。虽然将结合示例性实施例描述本公开，但是将理解的是，本说明书不旨在限制这些实施例的公开内容。相反地，本公开旨在不仅覆盖示例性实施例，而且覆盖可包括在由所述权利要求书限定的本公开的精神和范围内的各种替代物、修改、等效物以其它实施例。

下文中，将参考附图详细描述本公开的示例性实施例，以使得本公开所属领域中的技术人员可易于实施示例性实施例。然而，本公开不限于以下所述的示例性实施例并且可指定为其它方面。

除非另外描述，词语“包含”及变形诸如“包含(comprise)或包含(comprising)”将被理解成暗含包括陈述的元件，不排除任何其它元件。

作为参考，为了在描述示例性实施例之前帮助理解本公开，首先描述具有虚设电池的燃料电池堆。

图4为具有虚设电池的燃料电池堆的截面图。

如所示，在电池9处于被堆叠的状态下，末端板11和末端板12耦接到为电池9的外侧的堆叠10的两个末端。

在这种情况下，具有歧管孔11a的穿透末端板11可耦接到堆叠10的两个末端的一个末端上，而没有歧管孔的非穿透末端板12可耦接到与一个末端相对的另一个末端上。

在这种配置中，当通过堆叠10的入口歧管13(用于氢气、空气以及冷却剂的入口歧管彼此分开)供应的氢气、空气以及冷却剂通过双极板分配到相应的电池9中时，氢气、空气以及冷却剂分别穿过为电池9的每个电池中双极板的流路的阳极通道、阴极通道以及冷却剂通道，并且此后，杂质诸如未反应气体、氮气与水以及冷却剂从电池9和堆叠10通过出口歧管14排放。

分别具有端子15a和端子16a的电流收集板15和电流收集板16分别设置在末端板11和末端板12中，并且电流收集板15和电流收集板16电连接到位于其中的虚设电池17的双极板，并且将在堆叠10中的所有电池9中通过燃料电池反应产生的电流通过端子15a和端子16a输出到外部。

在堆叠10中的相邻于堆叠10的相应末端板11和末端板12的若干电池被配置为虚设电池17和虚设电池18以改进位于堆叠10的两个末端处的末端电池(位于将以下所述的反应电池中的堆叠10的末端处的电池)处的反应气体的分配特征，并且旁路并排放流入的液滴。

因此，构成堆叠10的电池可被分类成通过被供应反应气体经由电化学反应产生电能的反应电池(具有典型配置的单元电池)9和在反应电池9的两个末端部分处堆叠的虚设电池17。

不像具有包括阳极双极板、气体扩散层(GDL)、膜电极组件(MEA)、气体扩散层以及阴极双极板的典型配置的反应电池9，虚设电池17没有膜电极组件并且使用虚设电池专用双极板。

下文中，反应电池9中位于相邻于虚设电池的末端处的反应电池被称为末端电池，并且多个虚设电池17另外地堆叠在具有单元电池的典型配置的末端电池外部的末端板11和末端板12之间，从而配置堆叠10。

在这种情况下，在堆叠10的末端部分处堆叠的虚设电池17中位于最外末端的虚设电池专用双极板电连接到安装在末端板11和末端板12上的电流收集板15和电流收集板16。

当比较虚设电池专用双极板与反应电池9的双极板时，反应电池9的双极板具有相应的反应气体和冷却剂通过其流入并流出的入口歧管孔与出口歧管孔，和为相应反应气体和冷却剂的流路的通道，以使得氢气(其为燃料气体)、空气(其为氧化剂气体)以及冷却剂可流入到入口歧管孔与出口歧管孔以及通道，穿过其并从其排放，但是虚设电池专用双极板仅具有氢气(其为燃料气体)的入口歧管孔与出口歧管孔以及通道，或者空气(其为氧化剂气体)的入口歧管孔与出口歧管孔以及通道。

因此，堆叠10需要通过在堆叠10的两个末端部分分开地并重复地仅堆叠多个气体扩散层和多个虚设电池专用双极板从而构成虚设电池17来进行装配，并且结果，在通过利用自动堆叠设备的燃料电池堆叠的大量生产中存在缺点。

此外，由于额外地需要虚设电池专用双极板，需要用于生产专用双极板的额外生产设备，以及因为考虑到其中构成多个虚设电池17的堆叠顺序而堆叠在虚设电池专用双极板之间的气体扩散层，当通过燃料电池的反应电池9产生的电力通过电流收集板15和电流收集板16输出到外部时发生电压降和电力的损耗。

在设置了多个虚设电池17的状态下，当冷却剂在虚设电池之间流动时，位于反应电池9的两个末端处的末端电池的操作温度降低，并且具体地，操作效率可由于在燃料电池的冷启动条件下冷却的冷却剂而进一步劣化。

因此，公开了提高位于燃料电池堆的反应电池的末端处的末端电池温度的末端电池加热器组件。

根据本公开的末端电池加热器组件提供如下效果：在燃料电池的冷启动条件下提高了位于堆叠的两个末端部分处的末端电池的温度，防止由末端电池的热损耗引起的性能劣化，改进在末端电池处反应气体的分配特征，防止液滴流入，并且防止由现有虚设电池引起的电压降和电力损耗。

图5为示意性地示出根据本公开示例性实施例的燃料电池堆的配置的截面图。

如所示出的，根据本公开的示例性实施例的燃料电池堆10具有这样的结构：其中，堆叠包括膜电极组件(MEA)、气体扩散层(GDL)、阴极双极板、阳极双极板以及垫圈的反应电池9，并且每个反应电池9通过被供应反应气体经由电化学反应产生电能。

每个反应电池9中的膜电极组件包括可移动氢离子的固体聚合物电解质膜以及阴极和阳极，所述阴极和阳极是电极层，在所述电极层上，催化剂被涂覆在电解质膜的两个表面处以使得氢气和氧气可反应。

在每个反应电池9中，气体扩散层(GDL)堆叠在膜电极组件的外部，即，阴极和阳极所处的位置的外部，并且具有反应气体(作为燃烧气体的氢气，和作为氧化剂气体的氧气或空气)通过其供应并且冷却剂穿过其的流路的双极板位于气体扩散层的外部。

用于流体密封的垫圈等插入并堆叠在双极板之间，并且垫圈可与膜电极组件或双极板一体形成。

在接合到膜电极组件的阳极的气体扩散层和阳极双极板之间的通道为氢气(其为燃料气体)流动通过其的阳极通道，并且在接合到膜电极组件的阴极的气体扩散层和阴极双极板之间的通道为空气(氧气)(其为氧化剂气体)流动通过其的阴极通道，并且通过在相邻阳极通道之间和在相邻阴极通道之间的双极板平台部分形成的空间为冷却剂通道。

在这种配置中，通过燃料电池堆10的入口歧管13供应的氢气、空气以及冷却剂通过相应的双极板被分配到相应的反应电池9，氢气、空气以及冷却剂穿过作为每个反应电池9中双极板的流路的阳极通道、阴极通道以及冷却剂通道，并且此后，杂质诸如未反应的气体、氮气与水以及冷却剂从相应的反应电池9和堆叠10通过出口歧管14排放。

末端电池加热器组件20堆叠并插入在燃料电池堆10的两个末端处的相应的末端板11与末端板12和反应电池9之间。

分别安装在燃料电池堆10的两个末端部分处的末端电池加热器组件20具有类似的配置，并且结果，将进行以下描述而不区分两个末端电池加热器组件。

末端电池加热器组件20包括外壳21、用于加热末端电池的平面加热元件22、电流收集端子板23以及端子23a。

首先，外壳21具有穿透性地形成在其两个末端部分处的入口歧管孔21a与入口歧管孔21b和出口歧管孔21c与出口歧管孔21d，和被形成为穿透内部的旁路流路21e和旁路流路21f，以使得末端电池加热器组件20可用作包括公知的燃料电池堆中的金属双极板的虚设电池。

这里，旁路流路21e和旁路流路21f包括至少一个通道。

更详细地，旁路流路21e和旁路流路21f可包括被形成为允许氢气(其为燃料气体)或空气(其为氧化剂气体)穿过的单个通道或多个通道，或者可包括被形成为允许氢气和空气分别穿过的通道。

在这种情况下，入口歧管孔21a与入口歧管孔21b和出口歧管孔21c与出口歧管孔21d形成在外壳21的两个末端部分处以用于相应的通道，并且通道被形成为连接入口歧管孔21a与入口歧管孔21b和出口歧管孔21c和出口歧管孔21d。

也就是说，外壳21可包括连接入口歧管孔21a与入口歧管孔21b和出口歧管孔21c与出口歧管口21d的至少一种氢气通道21e或至少一种空气通道21f，或者可包括氢气通道21e和空气通道21f两者。

甚至在外壳21包括氢气通道21e和空气通道21f两者的情况下，可形成单个氢气通道21e或多个氢气通道21e，并且可形成单个空气通道21f或多个空气通道21f。

在燃料电池堆中的反应电池9的情况下，在电池被堆叠的状态下，在双极板的表面上形成的流路形成用于相应的反应气体和冷却剂的通道，但是外壳21的旁路流路21e和旁路流路21f，即，外壳21的通道21e和通道21f为穿透外壳内部的内部穿透流路。

在本示例性实施例中，外壳21可包括通过堆叠在彼此上装配的多个板，并且在这种情况下，堆叠且装配的板可具有沿着预定路径形成在其表面上的槽状流路，以便形成为内部穿透流路的通道21e和通道21f。

在这种情况下，用于形成通道21e和通道21f的流路可形成在两个板的一个板的表面上，所述两个板彼此接合并堆叠以便形成通道21e和通道21f，或者用于形成各个通道的流路可形成在彼此接合的两个板的两个表面上。

槽状流路沿着相同的途径形成在彼此接合的两个板的表面上，以使得当堆叠并接合两个板时，在彼此接合的板的两个表面上形成的两个流路被组合以形成一个密封的单独通道。

图7中的示例性实施例为其中两个旁路流路21e和旁路流路21f，即，氢气和空气可分别穿过并流动通过其的氢气通道21e和空气通道21f，被设置在外壳21中，并且作为实例，如果外壳21具有如图7所示的氢气通道21e和空气通道21f，那么可堆叠三个板以配置外壳(尽管未示出)。

更详细地，用于形成具有预定路径的氢气通道21e的槽状流路沿着相同的路径形成在构成外壳21的三个板中彼此接合并彼此堆叠的两个板的两个表面上，以使得当堆叠并接合两个板时，形成在两个板的表面上的流路被组合以形成一个密封的流路，即，氢气通道21e。

在这种情况下，用于形成具有预定路径的空气通道21f的槽状流路沿着相同的路径形成在三个板中彼此接合并彼此堆叠的两个板的两个表面上，以使得当堆叠并接合两个板时，形成在两个板的表面上的流路被组合以形成一个密封的流路，即，空气通道21f。

当然，在三个板中的中间板的情况下，流路可形成在板的两个表面上，并且形成在具有形成在其两个表面上的流路的板的一个表面上的流路用于形成氢气通道21e，并且形成在另一个表面上的流路用于形成空气通道21f。

前述实例仅为用于配置外壳21的实例，并且设置在外壳21中作为旁路流路的氢气通道21e和空气通道21f的数目、被堆叠以配置外壳21的板的数目、形成在相应的板中并具有预定路径的流路数目以及流路是形成在板的一个表面上还是板的两个表面上并不进行具体限制，而是可进行并各种改变和修改并应用，并且本公开不限于所示出的示例性实施例。

如所示出的，形成在外壳21的两个末端部分处的入口歧管孔21a与入口歧管孔21b被配置为氢气入口歧管孔21a与空气入口歧管孔21b，并且出口歧管孔21c与出口歧管孔21d被配置为氢气出口歧管孔21c与空气出口歧管孔21d。

外壳21的入口歧管孔21a与入口歧管孔21b和出口歧管孔21c与出口歧管孔21d分别与反应电池9的入口歧管13和出口歧管14连通。

这里，外壳21的氢气入口歧管孔21a和氢气出口歧管孔21c分别变成燃料电池堆10的氢气入口歧管和氢气出口歧管的部分，并且分别与通过堆叠的反应电池9的双极板形成的氢气入口歧管13和氢气出口歧管14连通。

外壳21的空气入口歧管孔21b和空气出口歧管孔21d分别变成燃料电池堆10的空气入口歧管和空气出口歧管的部分，并且被连接至通过堆叠的反应电池9的双极板形成的阴极入口歧管和阴极出口歧管。

旁路流路的氢气通道21e被连接到外壳21的氢气入口歧管孔21a和出口歧管孔21c，并且在这种情况下，相应的氢气通道21e被形成为穿透外壳21的内部以便连接氢气入口歧管孔21a和氢气出口歧管孔21c。

旁路流路的空气通道21f被连接到外壳21的空气入口歧管孔21b和空气出口歧管孔21d，并且在这种情况下，相应的空气通道被形成为穿透外壳21的内部以便连接空气入口歧管孔21b和空气出口歧管孔21d。

因此，氢气(其为通过在反应电池9的一侧处的氢气入口歧管13流入的燃料气体)通过外壳21的氢气入口歧管孔21a被分配并流入到旁路流路的氢气通道21e中，并且氢气被排放到外壳21的氢气出口歧管孔21c，并然后通过在反应电池9的一侧处的氢气出口歧管14排放到堆叠10的外部。

同样，通过在反应电池9的一侧的空气入口歧管流入的空气(氧化剂气体)通过外壳21的空气入口歧管孔21b被分配并流入到旁路流路的空气通道21f中，并且空气被排放到外壳21的空气出口歧管孔21d，并然后通过在反应电池9的一侧处的空气出口歧管排放到堆叠的外部。

由于旁路流路21e和21f设置在如上所述根据本发明的末端电池加热器组件20的外壳21中，所以可以通过旁路流路21e和旁路流路21f将流入到燃料电池堆中的液滴等旁路到气体出口，并因此改进反应气体的分配特征。

与此同时，如图7所示，连接器25安装在外壳21上，以使得电力可通过连接器25供应到平面加热元件22上，并且连接器25用于容纳平面加热元件22以及诸如电流收集器(以下所述的端子板23)的附件。

在示例性实施例中，外壳21可通过使用合成树脂(塑料)材料形成并制造，所述合成树脂(塑料)材料为非导电材料，更具体来说，为非导电且非导热材料，以确保末端电池的热绝缘效果，最小化朝向末端板11和末端板12的加热器的热损耗并且确保电绝缘。

外壳21的一个表面被接合到末端板11和末端板12，并且与一个表面相对的另一个表面被接合到反应电池9并堆叠在反应电池9上，并且平面加热元件22和末端板23可插入于其中的容纳槽21g形成在反应电池9接合到其上的表面上。

也就是说，平面加热元件22和端子板23以平面加热元件22和端子板23被堆叠的状态容纳在外壳21的容纳槽21g中，并且平面加热元件22被插入在外壳21的容纳槽21g中，并然后端子板23接合到平面加热元件22并堆叠在平面加热元件22上。

在示例性实施例中，平面绝缘垫片24可堆叠并插入在平面加热元件22和外壳21的容纳槽21g的内表面之间。

平面加热元件22为其中加热元件22a的外表面涂布有由电绝缘材料制成的护套22b以便与外部完全且电绝缘，并且与外部电源连接的连接器25与平面加热元件22的一侧连接以使得平面加热元件22可被供应有来自外部电源的操作电力。

具体来说，由于端子板23接合到平面加热元件22的一个表面并堆叠在该表面上，端子板23和加热元件22a的完全电绝缘状态可通过在加热元件22a外部的护套22b维持。

燃料电池堆可为将操作电力供应到平面加热元件22的外部电源，并且在这种情况下，可设置调节由燃料电池堆10输出的所产生电力并将电力供应到连接器25的电力供应电路单元(未示出)。

在燃料电池堆10用作平面加热元件22的电源的情况下，因为通过平面加热元件22引起的加热效果和由电池9的电化学反应热引起的堆叠本身的加热效果，在冷启动时可以更快地融化在电池9中残留的所产生的冷冻的水。

当然，代替燃料电池堆10，可以使用其它电源，例如车辆中的电池(未示出)，并且在这种情况下，电力供应电路单元被配置为得平面加热元件22通过连接器25被供应有来自电池的操作电力。

对于平面加热元件22，具有薄膜结构是有利的以改进相比于堆叠10的体积的输出密度，并且作为内部加热元件22a，可使用被制造为金属薄膜或由诸如碳纳米管(CNT)印刷的方法制造的抗热元件，或者可使用可控制温度并自主防止过热的PTC(正温度系数)元件。

使用PTC元件的加热元件有利的是，因为加热元件变成自主限制最大加热温度的加热元件，所以不需要随后的温度传感器和通过控制单元基于来自温度传感器的信号控制加热元件的随后的方法。

分开的温度控制器22c可设置在加热元件22a的周边，并且控制平面加热元件22的操作的控制器(未示出，控制器通过电力供应电路单元执行操作电力供应控制)接收来自温度传感器22c的信号，并且当加热元件操作时，控制器可基于来自温度传感器22c的信号控制加热温度。

在这种情况下，当加热元件22a不操作时，温度传感器22c可用于测量在最外侧的末端电池的温度。

被装配为顺序地穿透平面加热元件22、加热绝缘垫片24、外壳21以及末端板11与末端板12的端子23a与端子板23的一个表面一体形成，并且端子23a穿过其的通孔26a、26b以及26c形成在平面加热元件22、热绝缘垫片24、外壳21以及末端板11与末端板12中。

外壳21的通孔26c穿透性地形成在外壳21的其中未形成氢气通道21e和空气通道21f的部分中，并且平面加热元件22的通孔26a需要被形成为使得穿过通孔26a的端子23a不与内部加热元件22a电连接。

为此，大于端子23a的截面的通孔被形成在内部加热元件22a中，并且内部加热元件22a的通孔的内圆周部分完全涂布有护套22b，以使得可在端子23a和内部加热元件22a之间维持完全的电绝缘状态。

可替代地，内部加热元件22a可分开地设置在通孔26a的周围，并且加热元件22a可通过与通孔26a和端子23a间隔开的部分(其中能够进行电绝缘的位置)电连接。

端子板23可与设置在最外周边的电池，即，堆叠反应电池9中的末端电池直接接触，并且也可与末端电池的双极板接触，或者在省略双极板的状态下可与末端电池的气体扩散层(GDL)接触。

总之，平面加热元件22的一个表面与端子板23接触，端子23a与端子板23的一个表面一体形成，端子板23的一个表面与平面加热元件22接触，并且端子板23的另一它表面与反应电池9，即，末端电池直接表面接触。

端子板23通过使用导电且导热材料制造，并且端子板23用作接收在直接接合到反应电池9的状态下的反应电池产生的电力的电流收集板，并且用于将由平面加热元件22产生的热量传递到末端电池。

如上所述，已经描述了其中旁路流路(外壳)、用于加热末端电池的平面加热元件、电流收集端子板以及端子一体装配的末端电池加热器组件的配置。

在具有前述配置的末端电池加热器组件20应用到其上的燃料电池堆10中，由堆叠在燃料电池堆内的反应电池9产生的电力可通过端子板23和端子23a输出到外部。

当平面加热元件22在燃料电池堆10的冷启动条件下执行加热操作时，热能被直接供应到末端电池，从而快速地提高末端电池的温度。

当末端电池通过末端电池加热器组件20被加热时，在末端电池中保持冷冻的水分(所产生的水)可在冷启动时快速地融化，从而反应气体顺畅地流动，从而可防止在电池的两个末端处的电压降和由电压降引起的堆叠性能劣化，并且可缩短启动时间。

如果安装末端电池加热器组件20，可以防止在燃料电池的操作期间具有高热容量的末端板11和末端板12的热损耗的发生，并且可在加热操作期间补偿热损耗，从而可改进电力产生效率并且可确保均匀的电池性能。

旁路流路21e和旁路流路21f一体地设置在末端电池加热器组件20中以便改进反应气体的分配特征并旁路流入的液滴，以使得旁路流路21e和旁路流路21f起到公知的燃料电池堆中的虚设电池的作用，并且结果，可在反应电池9中改进反应气体的分配特征，可防止液滴流入，并且可解决在现有技术中当应用现有虚设电池时发生的问题。

也就是说，在公知的燃料电池堆中，末端板的电流收集板连接到虚设电池的金属双极板，并且结果，在由反应电池产生的电力通过虚设电池的金属双极板、电流收集板以及端子输出时，可发生电压降和电力的损耗，但是在根据本公开的末端电池加热器组件20应用到其上的燃料电池堆10中，反应电池9的电力通过直接连接到反应电池9的端子板23和穿透末端板11与末端板12的端子23a输出，并且结果，可以解决当应用具有专用金属双极板和气体扩散层的现有虚设电池时发生的电压降和电力损耗的问题。

此外，当末端电池加热器组件被提前装配时，电池被堆叠，并然后执行堆叠装配，末端电池加热器组件20可通过将末端电池加热器组件20堆叠并将插入在反应电池9和末端板11与末端板12之间而简单地装配，并且结果，可以省略现有堆叠虚设电池的复杂过程，并因此减少了生产时间，改进大量生产和生产率，并防止在堆叠过程中的错误装配。

将要描述装配根据本公开示例性实施例的燃料电池堆的方法，并且在末端电池加热器组件20被提前装配的状态下，末端电池加热器组件20和末端板11与末端板12通过将端子23a插入到末端板11与末端板12的通孔(图5中的参考数11b和12a)中而被临时装配，或者末端电池加热器组件20和末端板11与末端板12通过使用分开的紧固机构一体地装配。

多个反应电池9堆叠在末端电池加热器组件20的端子板23上，并且以相同方式装配的相对的末端电池加热器组件20和末端板11与末端板12堆叠在反应电池9上。

当如上所述完成堆叠过程时，在堆叠10被按压的状态下，通过公知的堆叠紧固机构(未示出)将在堆叠10的两侧处的末端板11和末端板12彼此连接并紧固，从而一体地形成堆叠的配置。

在这种装配过程中，相比较于现有过程，由于省略了堆叠虚设电池的复杂过程，所以可以防止错误的装配并极大地减少了生产时间。

已经参考其示例性实施例详细描述了本公开。然而，本领域技术人员应理解的是，在不背离本发明的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行改变，本发明的范围限定在所述权利要求和其等效物中。

Claims (23)

1.一种末端电池加热器组件，包括：

外壳，具有接合到燃料电池堆的末端板的第一表面；

平面加热元件，安装在形成于所述外壳的第二表面中的容纳槽中；

端子板，堆叠并插入在所述平面加热元件和所述燃料电池堆的末端电池之间，接合并电连接到所述末端电池并将由所述平面加热元件产生的热传递到所述末端电池；以及

端子，与所述端子板一体形成以便将由所述燃料电池堆产生并通过所述端子板传递的电能输出到外部。

2.根据权利要求1所述的末端电池加热器组件，其中，与所述燃料电池堆的空气入口歧管或氢气入口歧管连通的旁路流路形成在所述外壳中，并且所述旁路流路分别与所述燃料电池堆的空气出口歧管或氢气出口歧管连通，并且被设置为将通过所述旁路流路的内部的空气或氢气排放到相应的出口歧管。

3.根据权利要求1所述的末端电池加热器组件，其中，在所述外壳中，

设置了与所述燃料电池堆的空气入口歧管连通的空气入口歧管孔或与所述燃料电池堆的氢气入口歧管连通的氢气入口歧管孔，

设置了与所述燃料电池堆的空气出口歧管连通的空气出口歧管孔或与所述燃料电池堆的氢气出口歧管连通的氢气出口歧管孔，以及

设置了连接所述空气入口歧管孔和所述空气出口歧管孔的空气旁路流路或连接所述氢气入口歧管孔和所述氢气出口歧管孔的氢气旁路流路。

4.根据权利要求1所述的末端电池加热器组件，其中，所述外壳由非导电材料制成。

5.根据权利要求1所述的末端电池加热器组件，其中，所述外壳由非导电且非导热材料制成。

6.根据权利要求1所述的末端电池加热器组件，进一步包括：

热绝缘垫片，堆叠并插入在所述平面加热元件和所述外壳的所述容纳槽的内表面之间。

7.根据权利要求1所述的末端电池加热器组件，其中，所述平面加热元件包括：

加热元件，通过由电源供应电力执行加热操作；以及

护套，覆盖所述加热元件以便将所述加热元件与外部电绝缘。

8.根据权利要求1所述的末端电池加热器组件，其中，所述端子从所述端子板穿透所述平面加热元件、所述外壳以及所述末端板。

9.根据权利要求1所述的末端电池加热器组件，其中，温度传感器安装在所述平面加热元件上，并且控制器接收来自所述温度传感器的信号并控制所述平面加热元件的操作。

10.根据权利要求1所述的末端电池加热器组件，其中，所述平面加热元件为使用正温度系数元件的加热元件。

11.根据权利要求7所述的末端电池加热器组件，其中，所述电源为所述燃料电池堆，并且通过被供应由所述燃料电池堆产生的电力来执行加热操作。

12.一种燃料电池堆，包括：

多个燃料电池，通过堆叠设置，并且通过被供应反应气体经由电化学反应产生电能；

末端板，在所堆叠的燃料电池外部堆叠在所述燃料电池堆的两个末端位置处；以及

末端电池加热器组件，堆叠并插入在位于所述堆叠的燃料电池中的两个末端处的末端电池和在所述燃料电池堆的两个末端处的末端板之间，以便将热量提供到相应的末端电池以提高所述末端电池的温度，并且，所述末端电池加热器组件具有旁路流路以使得作为反应气体被供应至所述燃料电池堆的空气和氢气中的至少一个被分配到所述旁路流路并穿过所述旁路流路。

13.根据权利要求12所述的燃料电池堆，其中，所述末端电池加热器组件包括：

外壳，具有接合到所述末端板的第一表面；

平面加热元件，安装在形成于所述外壳的第二表面中的容纳槽中；

端子板，堆叠并插入在所述平面加热元件和所述末端电池之间，接合并电连接到所述末端电池，并将由所述平面加热元件产生的热传递到所述末端电池；以及

端子，与所述端子板一体形成以便将由包括所述末端电池的所述燃料电池产生并通过所述端子板传递的电能输出到外部。

14.根据权利要求13所述的燃料电池堆，其中，与所述燃料电池堆的空气入口歧管或氢气入口歧管连通以使得来自所述空气入口歧管或所述氢气入口歧管的空气或氢气被分配到旁路流路并穿过旁路流路的所述旁路流路形成在所述外壳中，并且相应的旁路流路与所述燃料电池堆的空气出口歧管或氢气出口歧管连通，并被设置为将穿过所述旁路流路的内部的空气或氢气排放到相应的出口歧管。

15.根据权利要求13所述的燃料电池堆，其中，在所述外壳中，

设置了与所述燃料电池堆的空气入口歧管连通的空气入口歧管孔或与所述燃料电池堆的氢气入口歧管连通的氢气入口歧管孔，

设置了与所述燃料电池堆的空气出口歧管连通的空气出口歧管孔或与所述燃料电池堆的氢气出口歧管连通的氢气出口歧管孔，以及

设置了连接所述空气入口歧管孔和所述空气出口歧管孔的空气旁路流路或连接所述氢气入口歧管孔和所述氢气出口歧管孔的氢气旁路流路。

16.根据权利要求13所述的燃料电池堆，其中，所述外壳由非导电材料制成。

17.根据权利要求13所述的燃料电池堆，其中，所述外壳由非导电且非导热材料制成。

18.根据权利要求13所述的燃料电池堆，进一步包括：

热绝缘垫片，堆叠并插入在所述平面加热元件和所述外壳的所述容纳槽的内表面之间。

19.根据权利要求13所述的燃料电池堆，其中，所述平面加热元件包括：

加热元件，通过被供应电力执行加热操作；以及

护套，覆盖所述加热元件以便将所述加热元件与外部电绝缘。

20.根据权利要求13所述的燃料电池堆，其中，所述端子从所述端子板穿透所述平面加热元件、所述外壳以及所述末端板。

21.根据权利要求13所述的燃料电池堆，其中，温度传感器安装在所述平面加热元件上，并且控制器接收来自所述温度传感器的信号并控制所述平面加热元件的操作。

22.根据权利要求13所述的燃料电池堆，其中，所述平面加热元件是使用正温度系数元件的加热元件。

23.根据权利要求12所述的燃料电池堆，其中，所述末端电池加热器组件使用所述燃料电池堆的自主电源，并且通过被供应由作为电源的所述燃料电池产生的电能来执行加热操作。